揭秘“活體”機器人

◆本刊綜合

數十億年來，地球上的生物為延續生命，已進化出多種繁殖方式。組裝機器人、3D打印機器人等已不足為奇，但能“繁殖”的機器人你聽說過嗎？美國佛蒙特大學和塔夫茨大學的研究團隊發現了一種全新的生物繁殖方式，他們利用這一發現創造了有史以來第一個可自我繁殖的活體機器人——Xenobots 3.0。

圖1 Xenobots 3.0的設計團隊（圖/美國塔夫茨大學 供）

Xenobots的發展史

Xenobots 3.0外觀酷似電子游戲中的“吃豆人”，能一邊“吃掉”其他細胞，一邊實現自我復制。從誕生至今，Xenobots經歷了從1.0到3.0的升級進化，實現了從簡單行走到自我發育繁殖的轉變。

2020年1月，研究團隊用非洲爪蟾早期胚胎中的細胞，創造出全球首個活體機器人——Xenobots。從基因組織上來看，活體機器人由100%青蛙的DNA組成，但它們并非青蛙，而是一款機器人。這種“活體機器人”擁有兩條“短腿”，能依靠自主力量朝目標移動，即便被損壞也能自行復制和修復，耗盡能量前能獨立移動約一周時間。若將機器人切成兩半，它在自行縫合后也能繼續活動。

2021年3月，Xenobots 2.0活體機器人問世，其外層細胞能長出纖毛，可在不同環境中移動且速度更快，存活時間較第一代增加了3～7天。此外，科學家在Xenobots的細胞內植入了一個可發出綠光的熒光蛋白，在被波長400納米的光照射后，熒光蛋白的結構開始變為紅光。這是一個簡單的光控開關，Xenobots被照射后能改變發光顏色，表明活體機器人具備記憶能力。

圖2 左為計算機所建模型，右為由非洲爪蟾皮膚細胞（綠色）和心肌細胞（紅色）構建的活體機器人（圖/佛蒙特大學 供）

此次全新升級的Xenobots 3.0既不是傳統的機器人，也不是已知的動物物種，而是一種活的、可編程的有機體。如果將足夠多的異種機器人放置在培養皿中，它們會聚集并開始將其他漂浮在溶液中的單個干細胞堆疊起來。于是，多達數百個干細胞在如同“吃豆人”形狀的“嘴”中，組裝成“嬰兒”異種機器人。幾天后，這些“嬰兒”就會變成外觀和動作跟母體一樣的新異種機器人。這些新的Xenobots會再次尋找細胞建立自己的“副本”，這樣周而復始，不斷復制。

圖3 科學家用計算機設計出的多款活體機器人形態（圖/佛蒙特大學）

為了讓異種機器人在此類復制中更有效，研究人員利用人工智能技術測試了數十億種體型，其中形似“吃豆人”的Xenobots平均能延續3代，比球形Xenobots高出1.5倍，產生的“后代”直徑較球形Xenobots后代大50%左右。

前所未有的繁殖方式

生物的繁殖方式可分為無性生殖和有性生殖。無論是細胞分裂還是動物通過精子和卵子結合的方式，都需要其內部積累了足夠資源后再分裂。例如，1個細胞需要完成資源積累才能分裂成2個，而精子和卵子的形成、成熟，以及受精卵的發育也是如此。

相比之下，病毒的繁殖方式并不依賴自身，而是通過入侵細胞后控制和奪取資源。這種方式與科學家對未來機器人復制方式的暢想較為符合。最新的Xenobots初步實現了這個想法，科學家將這種繁殖方式稱為自發運動的自我復制，這也是首次在多細胞生命系統中發現的繁殖方式?；铙w機器人產生新個體的過程并非繁殖的過程，而是復制的過程。

圖4 母體旋轉著一個大的干細胞球，它正在成長為一個新的“異型機器人”（圖/CNN報道配圖）

繁殖意味著存在生長過程。但是，活體機器人Xenobots并沒有產生一個需要通過外界能源和物質滋養、成長的未成熟個體，而是將其他的干細胞聚攏在一起，形成自己的復制品。

會對人類社會構成威脅嗎

答案是否定的。

Xenobots細胞可以在室溫下存活，在沒有任何外部食物儲備的情況下，最多能存活10～14天。如果沒有為這個系統提供豐富的青蛙干細胞來源，系統就會崩潰，并于14天后分解。所以，失去外界幫助，這種細胞是無法繁殖的。而且，這些機器人完全被限制在實驗室中，可進行生物降解。

研究者指出，Xenobots自我繁殖現象在某種程度上是短暫的，自我復制只能持續1～2代，不能無限繁殖。盡管目前人們把Xenobots稱為“活體”

未來能否為人類所用

機器人，不過，它究竟是一種機器，還是一種全新形態的生物體，還存在一些爭議。

這種“活體”機器人介于生物和機器之間，在行為模式上與已有的機器人類似。

現階段，研究者們在實驗室里造出的“活體”機器人并沒有離開實驗室在自然界獨立生存的能力，這意味著，自然界中不存在讓活體機器人實現自我復制的條件。短時間內，它很難對生物圈乃至人類社會產生威脅。

人類通過深入了解類似Xenobots可重構有機體有助于更精準地控制細胞行為。研究人員表示，這種分子生物學和人工智能的結合，可能被用于人體醫學和地球環境中的多種任務——包括降解海洋中的微塑料顆粒、根系檢查和再生醫學等，唯一需要解決的是找到預測和控制Xenobots的方法。

未來，人類可以通過編程讓它們清除水體中的微塑料，將靶向藥物運送到患者體內，以及助力疫苗研發等。“活體”機器人或許還可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個性化的治療，這些目標“未來可期”，但現階段的研究成果距臨床應用還有很長的路要走。